热点研究

「Spotlight Research」利用尾气回收的CO2来合成生物活性分子γ-内酰胺

作者:石油醚

本期热点研究,我们邀请到了本文第一作者来自拜罗伊特大学的秦玉曼为我们分享。

2023年11月22日,Nat. Commun.在线发表了来自拜罗伊特大学Shoubhik Das教授团队题为「Straightforward synthesis of functionalized γ-Lactams using impure CO2 stream as the carbon source」的研究论文。本文发展了一种使用光催化策略,利用汽车尾气作为二氧化碳源(CO2)合成高附加值的分子和有潜在生物活性的药物分子的新方法。这项研究的意义在于它有可能提供一种更直接、更可持续的方式,利用现成的原料和废气来生产重要的化合物。底物范围的普适性和在复杂分子合成方面的兼容性强调了该方法的环境和经济效益,使其成为光催化有机化学合成中二氧化碳利用领域的显着贡献。

“Straightforward synthesis of functionalized γ-Lactams using impure CO2 stream as the carbon source

Yuman Qin, Robin Cauwenbergh, Suman Pradhan, Rakesh Maiti, Philippe Franck & Shoubhik Das

Nat Commun. 2023, 14, 7604. doi: 10.1038/s41467-023-43289-w

Q1. 请对“Straightforward synthesis of functionalized γ-Lactams using impure CO2 stream as the carbon source”一个简单介绍

本文发展了一种使用光催化策略,利用汽车尾气作为二氧化碳源(CO2)合成高附加值的分子和有潜在生物活性的药物分子的新方法。目前,在二氧化碳参与的有机分子合成中,往往对二氧化碳的纯度有非常苛刻的要求,因为不纯的二氧化碳气流,比如工业废气和汽车尾气中含有氧气,水蒸气,一氧化碳,氮氧化物和硫化物等杂质气体, 而这些杂质对催化剂有很强的毒化作用。因此,在二氧化碳的利用和固定反应中必须提前纯化使其达到一定的纯度标准,这一过程需要很多的能源消耗和财力投入。所以,不纯二氧化碳气流的直接应用将在很大程度上缓解由温室气体的过度排放造成的环境压力,并为二氧化碳捕集利用与封存战略贡献一种可行方案。另一方面,γ-内酰胺是一种各种天然产物和药物中普遍存在的活性核心,高官能团化的γ-内酰胺可能会在一定程度上提高或者改变这些生物活性分子的性质。因此,如果我们可以利用汽车尾气使其参与到γ-内酰胺的合成中,将实现“变废为宝”的转变。

通过观察γ-内酰胺的结构,我们知道其包含羰基,氨基和碳骨架。因此羰基源(来自不纯二氧化碳流)、氨基源(仲胺)和碳主链(烯烃)之间的三组分反应因该可以轻松构建γ-内酰胺单元。 事实上,在光氧化还原催化的温和反应条件下,未受保护的仲胺能够产生高活性的 α-氨基自由基。 随后,在一种原料丰富且易得的烯烃的存在下将充当碳主链,并通过捕获α-氨基自由基(由仲胺产生)来促进C-C键的构建。通过进一步的单电子转移(SET)将产生相应的碳负离子。 此时,碳负离子很容易进攻CO2的亲电碳中心,导致羧化反应的发生,最终通过分子内环化生成功能化的γ-内酰胺。该方法拓展了带有不同官能团的底物范围,均显示出很好的兼容性。特别有趣的一点是,因为该反应体系的碱性特质,偏酸性的底物的适用性会受到限制,而我们发现该体系中带有未保护的羧基官能团的底物也能在标准条件下以中等产率产生目标产物。

这项研究的意义在于它有可能提供一种更直接、更可持续的方式,利用现成的原料和废气来生产重要的化合物。底物范围的普适性和在复杂分子合成方面的兼容性强调了该方法的环境和经济效益,使其成为光催化有机化学合成中二氧化碳利用领域的显着贡献。

Q2.有关本次研在研究的时候遇到过怎样的困难呢?又是怎样克服的呢?

在研究过程中,我面临的最大挑战是从纯二氧化碳转向汽车尾气这一新的思维模式,并努力克服与这一转变相关的各种困难。其中包括了优化反应条件、寻找适当的催化剂以及解决与废气利用相关的技术问题。

在这个转变过程中,需要进行系统的实验和参数调整,以找到适应新条件的最佳解决方案。此外,通过与实验室同事、技术员和导师积极讨论问题,我能够从不同角度获得有益的建议和反馈,加速问题的解决过程。成功克服这些困难的关键在于团队合作和沟通。通过与同事们分享经验和知识,找到了解决方案,并最终成功实现了所设计的反应。

Q3. 本次研究主体,有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢?

在研究从汽车尾气合成γ-内酰胺的过程中,最具挑战性的阶段在于底物的拓展。在这个阶段,面临了许多意料之外的情况。有些设计的底物并没有如预期般发生反应,或者在中间体阶段停滞不前。因此,为了克服底物的选择性和反应条件的优化,我进行了大量的试验和深入的分析。

在这个过程中,理解光催化机制以及在合成过程中各个步骤的调控也是一项复杂的任务。通过研究光催化机制,能够更好地理解反应中的各个细节,从而更有效地优化反应条件,提高合成的产率和选择性。这涉及到深入的理论知识和实验技能,需要不断调整和优化实验方案,以确保最终合成目标的顺利实现。

Q4. 将来想继续研究化学的哪个方向呢?

环境污染一直是社会关注的焦点,因此以有机化学的方法为我们的家园创造更绿色、更环保的环境是一项非常有意义的任务。我相信通过深入研究和应用有机化学,能够为推动这一环保转变贡献我的一份力量。未来,我计划更加努力地投入到这个领域,积极寻找和推动创新的解决方案,以实现对环境的积极影响。

Q5. 最后,有什么想对各位读者说的吗?

从一个想法的萌发到最终实现所预设的反应,或者甚至生成了一些始料未及的新产物,这是一个神奇的过程。这个过程中充满了惊喜、失落,有时甚至会有一些不理解。然而,当成功解决一个个问题,实现每一个设想后,那种豁然开朗的愉悦感是非常强烈的。我相信每一位从事化学研究的人都深有体会。在这个过程中,我认为有一个非常重要的因素就是老生常谈的“热爱”。从我的硕士导师、博士导师以及研究组的同事身上,我看到并感受到了他们对科研的激情,这也激发了我的兴趣和动力。因此,在热爱的基础上,我们要多读文献,多动手,多做分析,多交流。最后,我希望大家在科研道路上都能够顺利前行。

作者教育背景简介

教育背景:

本科,2013.10-2017.6,太原师范大学

硕士,2017.9-2020.7, 陕西师范大学,导师:杨明瑜

博士,2020.11-2023.7,安特卫普大学,导师:Prof. Shoubhik Das

2023.8-现在,拜罗伊特大学,导师:Prof. Shoubhik Das

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